地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (3): 1426-1430   PDF    
引用本文
牛有田, 张优贤, 谢迎涛, 李丹丹, 李玲. 2014. VLF法预报“神舟二号”发射期间的太阳活动情况[J]. 地球物理学进展, 29(3): 1426-1430, doi: 10.6038/pg20140359  
NIU You-tian, ZHANG You-xian, XIE Ying-tao, LI Dan-dan, LI Ling. 2014. Forecast on solar activity during the launch of “ShenzhouII” by the VLF method. Progress in Geophysics, 29(3): 1426-1430, doi: 10.6038/pg20140359   
VLF法预报“神舟二号”发射期间的太阳活动情况
牛有田1,2, 张优贤1, 谢迎涛1, 李丹丹1, 李玲1     
1. 河南师范大学物理与电子工程学院, 新乡 453007;
2. 河南省光伏材料重点实验室, 新乡 453007
收稿日期: 2013-8-26 修回日期: 2013-11-12 .
基金项目：国家自然科学基金项目（49070217）资助.
作者简介：牛有田，男，1966年3月生，河南新野人，教授，主要从事电磁波传播理论及其工程应用等方面的研究.（E-mail：niuyt22@163.com）
摘要：太阳耀斑是最剧烈的太阳活动之一.当太阳耀斑爆发时，辐射出的X射线会引起甚低频信号的相位异常变化.在河南新乡用甚低频接收仪监测了2001年1月10日“神舟二号”发射期间的甚低频信号相位异常数据，并对监测到的甚低频信号相位异常变化量进行了分析和一系列的处理，反演了太阳耀斑的强度和级别，并与美国的GOES卫星观测的结果进行了比较，研究结果表明：预测数据吻合恰好，验证了此法的可行性，为进一步开展我国电离层天阳活动预警和预报奠定了观测基础.
关键词： 甚低频     电离层     太阳活动     X射线     相位异常    
Forecast on solar activity during the launch of “ShenzhouII” by the VLF method
NIU You-tian1,2, ZHANG You-xian1, XIE Ying-tao1, LI Dan-dan1, LI Ling1    
1. College of Physics and Electronic Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China;
2. Henan Key Laboratory of Photovoltaic Materials, Xinxiang 453007, China
Abstract: Solar flare is the most intense solar activity. Very low frequency(VLF) signals spread through the waveguide between the ground and the low ionosphere. When a solar flare bursts, the suddenly increasing of low ionosphere D layer electron concentration and the equivalent reflection height reducing will cause a sudden ionosphere disturbance, and lead to the spread of VLF phase anomalies. In this paper, VLF signals are collected by the VLF signal receiver based on software radio technology by single whip antenna, receiving Russian Alpha VLF signals of VLF radio navigation system, Rb Atomic Frequency Reference is considered as the local frequency standard of the receiver for it provides sine wave which has precision above 1×10-11 MHz. It is used to produce A/D sampling pulse signal of software radio VLF receiver, phase measurement accuracy of this system is ±1 μs. VLF receiver monitored the solar activity in Xin-xiang, He-nan province on January 10, 2001 when "Shenzhou II" was launched, then, we fitting to solve the relationship equation between the flux density and the reducing value of the ionosphere's height of the sun's X-ray. We use the least square method to take a fitting for the phase anomaly data, at the same time, we forecast the strength of the solar flares, and the predicted results is the same as the observation of the GOES satellite of America, thus verifying the feasibility of the method. The above results illustrate that VLF method can be used in the investigation of the ionospheric solar activity, and serve as the observational basement of the solar activity nowcasting and forecasting technique.
Key words: VLF     ionosphere     solar activity     X-ray     SPA    
 0 引 言

“神舟二号”飞船是我国自主进行的载人航天工程，这一非常伟大的系统工程的背后聚集着众多科技人员的心血和全国人民的大力支持.飞船的每一部分对飞船而言都很重要，这和飞船试验成功与否息息相关(庞之浩，2007).一旦飞船进入太空后，太阳活动对飞船的飞行有着重大的影响(涂传诒，1988)，太阳活动事件的主要因素是太阳耀斑.太阳耀斑爆发是最剧烈的太阳活动中的一种，当太阳耀斑爆发时，太阳源源不断的辐射X射线、高能粒子对将要被送入太空的航天员造成的有时可能是致命的伤害(王家龙等， 1995)；高能粒子对飞船上的计算机系统造成单粒子翻转事故；导致飞船运行阻力增大，轨道降低加快，耗用能源增多(徐文耀，1994).因此，进行太阳活动的预报至关重要.

目前，太阳活动监测的方法有许多种，例如卫星监测、GPS监测等等(魏奉思，1999；叶宗海，1999;王水等，2007;李强等，2012).我国目前使用的观测仪器大部分都是从外国进口，或者是进口后再改造得到，不能掌握核心技术，并且我国用于空间天气预报的卫星甚少，故在空间天气预报这方面和国外有很大差距.目前这种情况这对我国航天事业的发展极为不利，我国急需创建自己的空间天气预报中心.从上个世纪以来，伴随着甚低频信号传播相位稳定这一特征的发现，VLF法逐渐成为一种新的测量途径.VLF监测方法因具有灵敏感度高、成本低等优点，进而成为一种监测太阳活动、研究电离层特性的有效手段(万卫星等，2007).

甚低频信号是通过地-电离层形成的波导中传播的(Wait， et al， 1959;Wait， 1964;A. et al，1995)，白天与传播相关的电离层主要是D层，因此主要研究密切相关的D层(Neil， 2001;张世田，2011).太阳爆发活动主要是指太阳耀斑和日冕物质抛射，在一次强烈太阳活动中，必定包含这两种现象.太阳耀斑爆发后电磁辐射须经8.3分钟到达地球，太阳高能粒子辐射需30～60分钟到达地球，日冕物质抛射的等离子体云则1～4天后到达地球.当强烈太阳活动出现时，太阳耀斑的电磁辐射(最主要是X射线)最先到达地球，被地球上空60~90 km的大气吸收，引起低电离层能D层电子浓度突然增加(马宇倩等，2004;邓忠新等，2012)，从而吸收增加，等效反射高度降低(刘万通等，1991)，引起电离层突然扰动(SID)(张东和等，2002)，导致甚低频传播相位异常(刘万通，1993).本文通过拟合求解给出了在“神州二号”飞船发射期间，用VLF法监测太阳耀斑引起的VLF异常情况，以此推测太阳活动情况，为飞船的发射和平安运行保驾护航.

1 试验监测试验系统

图 1是在河南新乡用的VLF法监测太阳活动试验系统示意图，该监测系统由接收天线、数字式VLF监测接收机、显示器和本地原子频标构成，该系统用的本地原子频标是铷原子标频，它负责为数字式VLF接收机提供比相所需的参考信号，该系统的测相精度为±1 μs.观测系统是在河南省新乡接收Alpha导航系统西副台(处于俄罗斯南端的格拉斯那达)、主台(处于俄罗斯新西伯利亚)和东副台(处于俄罗斯的哈巴罗夫斯克)三个发射台发射的11.9 kHz、12.6 kHz和14.9 kHz三个频率的VLF信号.在几个构成部分当中，数字式VLF监测接收机是该系统的关键部分，数字式VLF监测接收机每隔3分钟进行一次探测和数据记录，全天24小时不间断，从而将发射台探测到的数据与本地铷原子频标供给的参考信号的相位差接收进来，达到实时监测的目的.通过将数字式甚低频接收机连接到计算机上进行采集、储存和记录然后用显示器显示出来，对于监测太阳活动情况是极为方便的.与第一代检测系统相比，本系统有了新的扩展和提 高，本系统可以通过互联网实时的将数据传给其它地方的显示器，以达到在不同位置都可以实时的观测太阳活动的情况.

图 1 采样点示意图 Fig. 1 VLF signals observation system
2 试验结果与讨论

“神舟二号”试验飞船于2001年1月10日1时0分3秒发射，于2001年1月16日晚上7时22分成功返回.我们从2001年1月1日开始在河南省新乡市VLF监测试验，直到16日飞船安全返回.表 1~3是在河南新乡监测试验期间实时观测接收Alpha 导航系统11.9 kHz频率下三个发射台的VLF信号数据及计算结果.Wait J R重点研究了等效高度dh的变化公式(1959)为

式中，d是传播路径的长度，Δφ为相位变化，λ是波长，h是反射高度，由于发射时间所在的季节为冬季，这里h取72 km(牛有田等，2009)，所求的计算结果示于表 1.VLF信号相位异常事件与太阳的X射线爆发事件之间的相关性很好(王素琴等，1988;赵协忠等，1990;赵爱娣，1995; Jean-Pierre et al.，2006;郭策等，2012)，并且由于现在观测的路径距离和以前有所不同，于是重新拟合求解了太阳X射线的通量密度和电离层高度的降低值的关系方程，根据甚低频接收仪1998-2001这三年从11:00到17:00观测到的212次耀斑相位异常数据，我们分别对主台、东副台和西副台用最小二乘法重新进行了拟合求解，得到了三个台的新拟合方程如下：

式中F0代表太阳X射线的通量密度，单位为erg/cm2·s，dh代表电离层高度的降低值，单位为km，表中的预测的耀斑级别就是按照如上公式进行分析求解的，具体结果见表 1~3.三个表中最后一列是半年之后从美国取得的Boulder发布的GOES卫星观测X射线级别，我们根据对应的时间进行了一一的列出.

由表 1~3可知，所推测结果与卫星观测结果吻合相当好.这同时也说明了利用VLF预报太阳活动方法的有效性.在整个试验期间，共检测到太阳耀斑6个，其中M级2个，其余为C级耀斑，最大耀斑为中等级别为M 3.8级.需要说明的是10日18:08(属于日落时间)爆发的M 3.8级的耀斑它对西副台的影响比较明显，这在表 2中记录，对主台和东副台的影响则不是那么明显，甚低频信号在地-电离层波导中传播，日出和日落时间有着特殊的变化规律，结果是要考虑太阳天顶角的影响的，有待于进一步修正.

下图 2是2001年1月10日“神舟二号”试验飞船发射 当天监测到的频率为11.9 kHz下主台—新乡的VLF幅度和相位曲线.

表 1 “神舟二号”发射期间西副台-新乡太阳耀斑监测表 Table 1 Monitoring results table of Solar flares during the launch of “ShenzhouII”(West station-Xinxiang)

表 2 “神舟二号”发射期间主台-新乡太阳耀斑监测表 Table 2 Monitoring results table of Solar flares during the launch of “ShenzhouII”(master station-Xinxiang)

表 3 “神舟二号”发射期间东副台-新乡太阳耀斑监测表 Table 2 Monitoring results table of Solar flares during the launch of “ShenzhouII”(master station-Xinxiang)

图 2 1月10日主台—新乡的VLF幅度和 相位曲线(11.9 kHz) Fig. 2 VLF amplitude and phase curve of alpha system’s master station-Xinxiang on April 1

总的来说，在试验期间，太阳活动相对比较平静，没有较大的M级的大耀斑出现.特别是飞船发射的1月10日的发射当天，太阳活动非常平静，根据观测的数据知道1月11-1月15日太阳活动都比较平静，据此预报1月10日-16日太阳活动平静.

3 结 语

本文给出了在“神舟二号”飞船发射试验期间，在河南新乡用VLF方法监测的太阳耀斑的试验结果，以及由于太阳耀斑推测高能质子等事件的结果.经过计算重新拟合求得的拟合公式最终推测的耀斑级别和美国的卫星观测的结果吻合较好，验证了此方法的可行性.对于大的耀斑级别预测还有相应的误差，这需要继续观测太阳活动情况，多积累几年甚至几十年的耀斑级别较大的数据来进行修正求解，以得到更准确的拟合方程，这对以后耀斑预测也是有积极作用的.

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